反滲透海水淡化技術(shù)在電廠中的應(yīng)用

反滲透海水淡化技術(shù)在電廠中的應(yīng)用

0海水淡化技術(shù)隨著淡水資源的匱乏，大型節(jié)水處理廠逐漸尋求不同的替代品水源。例如，許多內(nèi)陸造船廠開(kāi)始重新排列中水和疏干水，而沿海發(fā)電廠利用天然海水資源并采用海水淡化技術(shù)獲取淡水。目前主流的海水淡化技術(shù)分為熱法和膜法兩大類，雖然熱法海水淡化技術(shù)最早被采用，但是膜法中反滲透海水淡化技術(shù)的發(fā)展卻更快，目前全球反滲透海水淡化廠在總海水淡化廠中的占比達(dá)65%，并呈逐年上升的趨勢(shì)1反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)反滲透海水淡化采用的原海水需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除海水中的泥砂顆粒、懸浮物、膠體、藻類、微生物等雜質(zhì)，經(jīng)預(yù)處理后的海水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)要求，確保脫鹽裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，由于污廢水的排放、海洋資源的開(kāi)發(fā)利用等，使得近海海域的污染十分嚴(yán)重，為應(yīng)對(duì)逐漸惡化的海水水質(zhì)，保證反滲透海水淡化系統(tǒng)的安全運(yùn)行，預(yù)處理系統(tǒng)一般采用兩級(jí)處理單元，一級(jí)預(yù)處理的主要作用是除去海水中的懸浮泥砂、膠體、有機(jī)物等雜質(zhì)，采用的處理裝置包括混凝反應(yīng)沉淀、氣浮、重力濾池等，其產(chǎn)水儲(chǔ)存至清水池，通過(guò)泵輸送至二級(jí)預(yù)處理單元，進(jìn)一步去除海水中的雜質(zhì)。二級(jí)預(yù)處理單元是反滲透進(jìn)水水質(zhì)的最后一道保障，其處理工藝分為傳統(tǒng)過(guò)濾和膜法過(guò)濾兩種技術(shù)，典型處理裝置為傳統(tǒng)過(guò)濾的細(xì)砂過(guò)濾器和膜法過(guò)濾的超濾。1.1細(xì)砂過(guò)濾器和反洗水泵細(xì)砂過(guò)濾器也叫精密過(guò)濾器，本體由設(shè)計(jì)壓力0.6MPa左右的鋼制圓柱體罐制成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通壓力式過(guò)濾器相同，但濾料采用的是0.3～0.5mm粒徑的細(xì)砂，相當(dāng)于5～10μm的過(guò)濾精度，可保證產(chǎn)水濁度<0.5NTU,SDI由圖1可知，細(xì)砂過(guò)濾器需要配套反洗水泵和反洗風(fēng)機(jī)，根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行定期反洗，反洗水源可采用二級(jí)過(guò)濾產(chǎn)水也可采用一級(jí)預(yù)處理的產(chǎn)水。如果一級(jí)預(yù)處理有重力濾池，則兩個(gè)過(guò)濾裝置可考慮共用反洗水泵和反洗風(fēng)機(jī)。為保證細(xì)砂過(guò)濾器的配水均勻，單個(gè)過(guò)濾器的面積不宜大于15m1.2反滲透海水淡化系統(tǒng)超濾是一種膜分離技術(shù)，其膜為多孔性不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。超濾過(guò)濾過(guò)程是以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動(dòng)力，以機(jī)械篩分原理為基礎(chǔ)的一種溶液分離過(guò)程，使用壓力通常為0.03～0.6MPa，篩分孔徑從0.002～0.1μm，截留相對(duì)分子質(zhì)量為1000～100000Da左右。一般采用中空纖維超濾膜作為反滲透海水淡化系統(tǒng)的二級(jí)預(yù)處理，其按進(jìn)水流道分為內(nèi)壓式和外壓式兩種，按照過(guò)濾模式分為全流過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾兩種。超濾膜的過(guò)濾精度高，產(chǎn)水水質(zhì)相比細(xì)砂過(guò)濾器更好也更穩(wěn)定，其產(chǎn)水保證值為：濁度<0.2NTU,SDI<31.3砂砂分離與超濾的比較1.3.1砂砂法與超濾的性能比較細(xì)砂過(guò)濾器屬于傳統(tǒng)的過(guò)濾方式，超濾屬于新型膜法過(guò)濾，二者目前都有一定的應(yīng)用市場(chǎng)，其綜合性能對(duì)比見(jiàn)表1。1.3.2細(xì)砂過(guò)濾器和超濾成本對(duì)比一般2臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組或4臺(tái)六十萬(wàn)機(jī)組電廠的海水淡化需水量的設(shè)計(jì)規(guī)?；驹?2000m通過(guò)表2對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)采用細(xì)砂過(guò)濾器作為二級(jí)預(yù)處理投資成本比超濾低33%，運(yùn)行電耗不到超濾運(yùn)行電耗的一半且沒(méi)有化學(xué)藥品的消耗，筆者認(rèn)為這應(yīng)該是目前細(xì)砂過(guò)濾器仍然占據(jù)一定市場(chǎng)的原因。當(dāng)然如果考慮保安過(guò)濾器濾芯更換和反滲透膜的清洗頻率，這二者的運(yùn)行費(fèi)用基本持平。1.3.3細(xì)砂過(guò)濾器濾芯更換。在一般聯(lián)合氣濾芯上進(jìn)行改造細(xì)砂過(guò)濾器作為二級(jí)預(yù)處理總體投資成本及運(yùn)行能耗均低于超濾，但超濾的出水水質(zhì)較好，對(duì)后續(xù)反滲透單元更友好。另外，對(duì)于部分海水，其含有一些不明原生生物等，細(xì)砂過(guò)濾器對(duì)其無(wú)法去除，曾有案例項(xiàng)目，這種生物穿透細(xì)砂過(guò)濾器附著在后續(xù)反滲透保安過(guò)濾器5μm的濾芯上，導(dǎo)致保安過(guò)濾器嚴(yán)重污堵，基本每天需要更換一次濾芯，之后進(jìn)行相應(yīng)改造，用超濾代替細(xì)砂過(guò)濾器，效果明顯，濾芯基本1月更換一次。由此可見(jiàn)，預(yù)處理選擇的前提是獲得準(zhǔn)確完整的原海水水質(zhì)分析，必要情況下應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行方案選擇確定。2能量回收裝置的設(shè)計(jì)成本能量回收裝置是降低反滲透海水淡化系統(tǒng)能耗的核心設(shè)備，其按工作原理主要分為透平式（水力渦輪式）和正位移式（功交換式）兩類。2.1次高壓轉(zhuǎn)化法透平式能量回收裝置由同軸的泵端和透平端組成，兩端均帶葉輪，原海水進(jìn)入泵端，反滲透的高壓濃鹽水進(jìn)入透平端，沖擊透平葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)同軸泵的葉輪旋轉(zhuǎn)，高壓濃鹽水?dāng)y帶的能量經(jīng)過(guò)壓力能—軸功—壓力能的二次轉(zhuǎn)化之后傳遞給原海水，傳遞能量之后的濃鹽水由透平出口以常壓排出，增壓后的海水由泵端高壓出口排出，進(jìn)入膜元件。根據(jù)其工作原理，透平式能量回收與高壓泵串行連接，如圖3所示，原海水通過(guò)高壓泵增加一部分壓力，然后再由能量回收裝置進(jìn)一步傳遞增壓達(dá)到反滲透進(jìn)水壓力要求。按某工程水質(zhì)水量（單套海水反滲透產(chǎn)水量170m在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的透平式能量回收裝置主要是美國(guó)Fedico品牌的HPB系列產(chǎn)品和美國(guó)ERI品牌的AT系列產(chǎn)品，其回收效率一般在50%～70%之間，單臺(tái)最大流量可達(dá)2800m2.2海水能量回收系統(tǒng)正位移等壓型能量回收裝置的工作原理與透平式能量回收裝置完全不同，它是將反滲透高壓濃鹽水的壓力通過(guò)能量回收裝置直接傳遞給原料海水，能量經(jīng)過(guò)壓力能—壓力能直接轉(zhuǎn)化，減少了中間環(huán)節(jié)的能量損失，回收效率高，最高可達(dá)98%正位移式能量回收裝置的典型產(chǎn)品是ERI公司生產(chǎn)的PX系列，其市場(chǎng)占有率90%以上，圖4上的參數(shù)即是根據(jù)PX能量回收裝置按照2.1節(jié)的水質(zhì)水量進(jìn)行模擬計(jì)算的結(jié)果。PX能量回收裝置單支處理量最大68m2.3能量恢復(fù)裝置的比較2.3.1回波裝置的性能比較兩種能量回收裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體的性能對(duì)比見(jiàn)表3。2.3.2單套成本核算成本對(duì)比按2.1和2.2章節(jié)所列工程實(shí)例計(jì)算單套成本，包括投資成本和運(yùn)行成本，具體核算結(jié)果如表4所示。從表3中可知，透平式能量回收裝置電耗比PX能量回收裝置產(chǎn)水高0.7kW·h/m2.3.3透平式回收裝置特點(diǎn)綜上對(duì)比可以看出，PX能量回收裝置主要?jiǎng)僭谄浠厥招矢?，可極大節(jié)省運(yùn)行能耗，降低制水成本。相比PX能量回收裝置，透平式回收裝置也有其特定優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)投資價(jià)格低，水量越大，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)越明顯；(2)占地面積小，管路簡(jiǎn)單；(3)操作方便，可靠性高，一般無(wú)需定期維護(hù)。因此，兩種能量回收裝置的選擇還需根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目特點(diǎn)綜合考慮，包括工程項(xiàng)目用途、規(guī)模、電價(jià)等比選出最適合項(xiàng)目的方案。3能量回收裝置的選擇海水反滲透系統(tǒng)的二級(jí)預(yù)處理單元是保護(hù)反滲透膜組的重要屏障，應(yīng)該慎重選擇所用的處理裝置。如果水源水質(zhì)較好，可以選用細(xì)沙過(guò)濾器作為處理裝置，其具有成本低、結(jié)實(shí)耐用及操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但占地面積較大，且如果水質(zhì)惡化，這種傳統(tǒng)的過(guò)濾技術(shù)將會(huì)面臨較大的挑戰(zhàn)。超濾作為二級(jí)預(yù)處理單元，最近幾年應(yīng)用更多些，其與反滲透聯(lián)合稱為雙膜法海水淡化技術(shù)，雖然投資成本高、運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜，但是出水水質(zhì)好且穩(wěn)定，特別對(duì)于較差的水源水質(zhì)，采用超濾裝置作為二級(jí)預(yù)處理是相對(duì)較好的選擇。能量回收裝置的選取則主要根據(jù)項(xiàng)目的具體特點(diǎn)進(jìn)行。目前PX能量回收裝置市場(chǎng)占比最大，主要因其效率高，電耗低的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于電價(jià)因素影響不高的項(xiàng)目，透平式能量回收裝置卻是更好的選擇，畢竟其成本低，占地小